以系统性思维构建固体废物最小化管理体系

以系统性思维构建固体废物最小化管理体系

 何源1            ,甘业福2

中核国电漳州能源有限公司，福建漳州 363300      2.中核四川环保有限公司，四川广元 628000

摘要：放射性废物的安全管理，应当坚持减量化、无害化和妥善处置，秉承永久安全的原则，实行放射性废物分类管理，本文基于系统思维，结合漳州华龙一号融合机组实际产生的废物类型，运用ALARA原则，在核电站全套“寿期”内，“系统性”建立放射性废物最小化管理体系

关键词：华龙一号融合机组；ALARA原则；系统性

Build a soild waste minimization management system in a systematic thinking

HE Yuan1

（1.CNNP Guodian Zhangzhou Energy Co.,Ltd.，Fujian zhangzhou 363300，China）

Abstract:The safety mamagement of radioactive waste should be obedient to concepts which were covered by reduction, harmless, and proper disposal, adhering to the permanent safety principles, the classification of radioactive waste management. In this paper, based on system thinking, combining the reality of zhangzhou hualongnumber one fusion unit waste type, using the ALARA principle within the plant a full set of "lifetime, "systematic" radioactive waste minimization management system was established.

Key  words：Hualong number one fusion unit；ALARA principle；systematic

CLC number：Article character：Article ID：1674-1617(2017)04-0000-00

1研究背景

伴随世界的发展，能源问题始终是老生常谈的问题，虽然人类仍以化石能源为主，但石油和天然气资源有限，煤的开发运输以及环境污染问题严重，因此，寻找一种清洁、高效、环境友好型的资源就显得十分必要，核能资源便是其中的一种，核能资源已逐渐走上能源潮流的“舞台”，使用核能能让人类有效摆脱能源危机[1,3,4]。

同火力发电相比，核电可有效避免燃烧化石燃料（煤、石油、天然气）引起的各种各样的环境问题，现如今，全球变暖、酸雨、空气污染及石油的外泄已经引来了一系列连锁问题，这些问题可能会比人类所引起的任何其它活动还要严重；核电的另一优点在于燃料的种类，煤在全世界贮量有限，无法满足人类百年的生存维计[6,7]。核能在对我们生活带来无尽益处的同时，也带来了难题，因此，如何对核废物进行有效处置具有十分深远的意义[8]。

放射性废物类型和处理方法

放射性废物来源广，形态、组成和特性差异大，为便于管理，必须对其进行分类；根据原子能机构（IAEA）分类（见表1-1），首先，按物理形态将核废物分为气、液、固三大类；对于固体废物，IAEA于1994年提出了以处置为核心的废物分类体系，其中该体系将固体废物分类四类，即高放废物、长寿命低中放废物、短寿命低中放废物和豁免废物，如表1-2所示[5]。

表1 按处置要求分类的废物特性

2核电厂放射性固体废物的分类和来源

核电厂放射性固体废物可分为湿废物和干废物， 其中湿废物包括废树脂、泥浆、废液过滤器芯、浓缩废液、少量化学废液、废膜、活性炭、沸石等；干废物主要是在核电厂运维过程中产生的技术废物（如被放射性污染的防护用品、擦拭材料、纸张、塑料、橡胶制品等）以及控制区废弃的被放射性污染的设备、堆芯一次测量管道或通道、零部件、工具和保温材料等；针对

某核电厂1、2#机组，现机组尚处于土建（ECSR）阶段，机组商业运行后，机组产生以下几种类型废物：废树脂、浓缩液、废过滤器芯、杂项干废物（受污染的工作服、纸、擦拭布、塑料和金属部件等）这些废物来源如下

1）废树脂由下列系统的除盐器产生：化学和容积控制系统（RCV）、硼回收系统（ZBR）、蒸汽发生器排污系统（TTB）、乏燃料水池净化系统（RFT）、废液处理系统（ZLT）。

2）浓缩液来自ZLT 系统的蒸发器。

3）废过滤器芯来自核辅助厂房（NX）和核废物厂房（QX）内RCV、ZBR、RFT、ZLT

和TTB 系统的水过滤器。

4）控制区产生的杂项干废物由可压实废物（例如工作服、纸、擦拭布、塑料等）和不可压实的金属部件组成，收集在塑料袋内。

3核电厂放射性固体废物的处理

（一）湿废物的处理

根据湿废物的不同特点，其处理包括如下方式[2,5]：

1)固化处理：废树脂、浓缩液、活性炭、（沸石）可采用固化处理。一般以石灰、减水剂作添加剂，在固化前可对湿废物进行预处理，水泥作为固化剂。

2)干燥、压实和装高整体容器处理：将浓缩液、化学废液、沸石、废树脂送入干燥容器或专用的干燥装置，经干燥后采用高完整性容器（HIC）包装。结合各电站放射性固体废物处理工艺不同点，对于废树脂、活性炭和沸石，可以在干燥后进行热态压实，最终装入高完整性容器。

3)直接固定处理：废过滤器芯可装入包装容器水泥固定。废弃的超滤和反渗透膜通过切割装入包装容器进行水泥固定。

4)焚烧处理：低放废树脂、活性炭、放射性废油和废有机溶剂可送入焚烧装置焚烧处理。

（二）干废物的处理

机组核岛内产生的干废物，经现场分类后，经屏蔽运输装置转运至废物处理中心；在废物处理中心会设置干废物分拣与压实装置，用于对收集的各类干废物进行进一步分拣与压实操作。根据后续处理工艺确定分拣废物类型，一般情况下，干废物分成可压实废物与不可压实废物；当设有焚烧和压实装置时，一般将废物分成可燃废物、不可燃可压实废物、不可燃不可压实废物。不同电站根据其处理工艺不同，会存在一定差异。

4放射性固体废物处理的主要目标

放射性固体废物处理的主要目标是废物最小化和最终安全处置，以下是对其两点的详细阐述。

（一）废物最小化

在国际园原子能机构（IAEA）所确定的放射性废物管理体系各项原则中，废物最小化作为重要原则之一被列出，其定义是“使放射性废物的体积重量以及废物中包含的放射性核素都满足合理尽量最小化原则。”该理念着眼于减少废物的数量与放射性两方面遵循的基本原则是保护人类健康和环境，并不给未来后代造成不适当的负担”。

废物最小化既包括对废物的减容处理，也包括对废物产生源头的控制。废物减容化体现在放射性废物的数量，对废物产生源头的控制体现在源头废物的放射性上，废物最小化管理体系“金字塔”模型如下图所示：

废物最小化管理体系“金字塔”

废物减容措施对于湿废物包括烘干、水泥固定，对于干废物包括分拣、干燥、压实、水泥固定；此前对废物的减容措施已进行介绍，现不在进行赘述，这里只对废物产生的源头控制措施进行介绍。

为尽量减少放射性固体废物的产生量和放射性活度，核电厂一般采取以下举措对放射性固体废物来源进行控制：

1)优化核电厂系统设计，改进设备和阀门的构造，采用高性能的设备和密封材料，减少放射性设备泄漏；

2)采用高性能的燃料元件、降低燃料破损率；

3)尽量选用不易活化的堆内结构材料，严格限制与一回路堆冷却剂接触设备、管线和阀门材料中的钴含量；

4)优化反应性控制，在不出现非计划性停堆的情况下，机组在负荷跟踪运行时优先采用控制棒调节，减少通过改变反应堆冷却剂硼浓度调节反应性；

5)优化水化学工况，减少腐蚀产物产生量；

6)采用高性能的废过滤器芯和例子交换树脂，以减少废液过滤器芯和废树脂的产生量；

7)严格设计辐射工作场所的分区，尤其是在大修期间，严格进行SAS及临时分区的分区处理，合理组织气流、人流和物流，防止交叉放射性污染；

8)对于干废物进行合理的分类和分炼，有效将放射性废物、轻微污染的废弃材料和放射性废物分别收集、处理和处置；

9)对于受轻微污染的设备和材料，经衰变或去污后清洁解控后进行复用。

（二）最终安全处置

根据半衰期和放射性活度浓度这两个指标，大体将放射性废物可分为极短寿命放射性废物、极低水平放射性废物、低水平放射性废物、中水平放射性废物、高水平放射性废物五类。其中极短寿命放射性废物和极低水平放射性废物均属于低水平放射性废物范畴。

可以看出，放射性固体废物中包容的放射性核素随着半衰期增加，核素活度会不断降低，对于废物处置要求会降低；对于放射性废物中活度浓度越高的核素，对废物的整体性包容与生物圈隔离的要求就越高；豁免废物和解控废物均不属于放射性废物。原则上，极短寿命放射性废物、极低水平放射性废物、低水平放射性废物、中水平放射性废物、高水平放射性废物对应的处置方式分别为贮存衰变后解控、填埋处置、近地表处置、中等深度处置、深层处置；其中，极短寿命放射性废物与极低水平放射性废物性质相同，可以采用同一种处置方式进行处置。

放射性废物最终处置意味着不需要人工管理并且不再考虑将废物进行回取，对于高水平放射性废物（如铀238），半衰期长，活度浓度大，要满足其与生物圈很好地隔离要求具有相当大的难度，因而高水平放射性废物的最终处置始终是放射性废物管理科学研究的重点。从50年代到80年代，国际上提出过许多方案，如在地下数百米或更深地层的深层处置库处置投放数千米至万米深海底的深海地质层处置，南极冰层处置等，我国在深地质处置上一直致力于广泛的研究，近期取得了重大突破，2021年6月17日，中国北山地下实验室开工建设，标志着我国高放废物地质处置工作进入了地下实验室建设及研发阶段，填补了我国在高放废物处置技术地下现场研发平台及设备的空白，为建设高放废物深地质处置库，加快高放废物安全处置进程，保障核工业健康可持续发展提供重要科研平台。

5核电在废物最小化方面的浅试

前文虽已讨论了废物最小化原则性的处理方式，但在实际应用过程中，仍需许多地方进行优化，国内核电厂在这方面进行了一些有益的尝试，也取得了相应成果，现分别说明如下：

（一）工艺废物处理

1）处理容器改造

放射性固体废物一般采用水泥固化手段进行处理，譬如废树脂、废滤芯及浓缩液；通过水泥固化装桶形成水泥固化体，标准的水泥固化体混凝土容器虽然有其优点，但其体积较大，不利于废物最小化。国内某核电厂于2011年对混凝土容器进行改造，设计了新型非标钢桶代替原有水泥固化混凝土容器，以减少浓缩液、废树脂水泥固化体的体积。该新型钢桶于2013年通过评审，现已投运，每个固化体体积由2m3降至1.15m3，截止目前，累计减少废物体积三百多立方米。

2）工艺手段改进

针对某核电站，该电厂1、2#机组为同行电站5、6#华龙一号机型的融合改进堆，根据工艺相关设计文件的表达，现该电站与同行电站较工艺废物处理工艺存在明显区别，具体差异如下表所示：

表2 放射性固体废物工艺差异明细

以工艺废物为例，废树脂与浓缩液经工艺处理后所用处理容器也有所区别，某电厂对于废树脂与浓缩液均采用200L钢桶进行处理，经处理由相关屏蔽转运设备运输至放射性废物暂存库中混凝土高完整性容器（HIC）进行暂存；同行电站对于废树脂与浓缩液均采用400L钢桶进行处理；

（二）可燃技术废物处理

因核电厂条件所限，不具备可燃放射性固体废物的焚烧条件，因此在实践中，对于废塑料制品、纸制品、棉制品等，均通过预压装入200L钢桶内。对于具有焚烧资质的放射性废物处理厂，从减容和减重角度考虑，采用焚烧手段进行处理，减容比可达到20-100倍，减重比可达到10-80倍，处理效果良好；并且能够将有机废物无机化，提高贮存、运输和处理过程中的安全性，满足最终处置场要求，目前国内各核电厂对可燃技术废物处理技术正进行积极地推动与尝试，并结合“废物最小化”目标正在积极洽谈推进此项工作。

（三）金属废物处理

熔炼循环再利用是处理核电等行业产生废金属的有效手段。通过对废金属进行熔炼去污、减容再利用，不仅实现了放射性废物最小化，同时也可以取得社会与经济双重效益。2016年，中国核能行业协会联合国内某电厂申报《核电厂废金属熔炼循环再利用研究》课题，并以推动我国废金属熔炼循环再利用技术路线、相关限制条件的研究。

6核电站放射性废物最小化的发展前景

在我国核电行业砥砺发展的30多年中，核电站放射性废物最小化仍属于新课题，其发展与实践在一定程度上均缺乏系统的经验，我们也必须认识到国外先进核强国所存在的差距[9,10]。在国家积极推进放射性废物最小化的大背景下，尤其是《核安全与放射性污染防治十二五规划及2020年远景目标》的出台，进一步证明国家对放射性废物最小化的坚定目标。

要实现核电厂放射性废物最小化，可以采用前端—中端—后端“三段式”对放射性废物产出进行控制，前端控制主要是从源头控制放射性废物的产生量，包括废水、废物复用、合理化防护等；中间过程就包括放射性废物收集、清洁解控等，后端处理就是对已产生的废物进行减量化处理以系统化思维大力推动我国的放射性废物最小化工作开展。

参考文献

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[11]李宇斌. 固体废物管理系统工程[J]. 环境保护与循环经济，2010.

第一作者作者简介：何源，1992年10月生，男，汉族，四川省平昌县，初级工程师，硕士，从事放射性固体废物管理研究；

第二作者简介：甘业福1973年2月生，男，汉族，四川省邻水县，正高级工程师，学士，从事辐射防护及核设施退役治理研究